JP5185944B2 - 車輪動作の認識のための装置 - Google Patents

Description

本発明は、乗物乃至原動機付乗物の車輪の回転動作を認識するための方法及び装置に関する。

タイヤ空気圧監視システムは、近代的な原動機付乗物において既に周知である。その監視システムは、送信電子機器と共に乗物の車輪に装着される共通の複数の圧力センサを、通例、含む。圧力の低下に陥った状態において、無線信号が、制御装置に対して送信される。監視のために、センサシステムは、通例、圧力損失なしでさらに信号を周期的に送信する。信号評価及び送信構成部分を含めて圧力センサは、通常、同様に車輪に組み込まれたバッテリから給電される。

機能拡張のために、センサは、しばしば回転認識を用いる、即ち、装置は、車輪が回転しているか否かに拘わらず、認識を行う。その機能は、例えば、
− エネルギを節減すること、即ち、活動的な動作においてのみセンサが信号を送信すること、
− 停止した状態での特異な又は未知の乗物における他のシステムの起こり得る影響を回避すること、
− 車輪が、乗物に携行されている予備車輪であるだけの場合における同様の効果
に関して有意義である。

このような装置は、例えば、ドイツ特許出願第ＤＥ１０２００５００２２４０Ａ１号公開公報から既知である。この刊行物から、乗物の動作を測定するための装置は既知である。それは、車輪に配置された加速度センサと、付属する判定回路とを含む。主要な感知構成が本質的に車輪の正接方向に配置されるように、加速度センサが車輪に取り付けられて備えられている場合、そのセンサは、特に精確かつ信頼性のある動作を行う。

上位概念の特徴は、ドイツ特許出願第ＤＥ１９７５３９７１Ａ１号公開公報の独立請求項から引用される。

ドイツ特許出願第ＤＥ１０２００５００２２４０Ａ１号公開公報 ドイツ特許出願第ＤＥ１９７５３９７１Ａ１号公開公報

本発明は、原動機付乗物の車輪の回転動作を認識するための方法であって、
− 車輪加速度を表す車輪加速度値を、少なくともセンサ素子を用いて検出し、
− 異なる検出タイミングにおける車輪加速度値を検出し、
− 検出された値に基づいて、回転動作の存在を認識する、
方法に関する。本発明の核心は、周期若しくは検出周期乃至一連の若しくは連続する若しくは継続する期間に含まれる少なくとも三つの検出タイミングであって、予め決定された非等間隔のタイミングにおける車輪加速度値を検出するという点にある。検出タイミングのうちの重要度の低い非常に多くの個数の等間隔の検出と比較すると、予め決定された非等間隔の検出タイミングの使用を通じて、信頼性の高い回転指標の継続供給の可能性が開かれる。

本発明の一つの有利な実施の形態は、車輪加速度値を、本質的に、車輪に発生する半径方向の加速度に関して、又は、本質的に、正接の加速度に関して、取り扱うことによって特徴付けられる。

本発明の一つの有利な実施の形態は、車輪加速度値が、少なくとも半径方向の加速度に起因する部分を示すことによって特徴付けられる。

上述のうちの最後の実施の形態においては、センサの配置から独立した、即ち、半径方向、正接の方向又はそれらの方向の線形結合における測定のためにそこから独立した特性の利用が、センサ配置の半径方向成分に依存しさらに一定のオフセットが重畳される正弦波状の結果信号を常に発生させることが示される。

本発明の一つの有利な実施の形態は、二つの隣接する検出タイミングの間の時間上の連続する間隔が徐々に小さくなるように、非等間隔の検出タイミングが、周期の範囲内に時間的に配置されることによって特徴付けられる。検出タイミングのこの選択は、試みにおける特に適当なものとして強調される。

本発明の一つの有利な実施の形態は、
− 車輪加速度値を特定する検出を通じて、周期の範囲内において捕捉される最大値を特定し、
− 車輪加速度値を特定する検出を通じて、周期の範囲内において捕捉される最小値を特定し、
− 上記最大値と上記最小値との間の差を特定し、
− 上記差に基づいて回転動作の存在を認識する、
ことによって特徴付けられる。

本発明の一つの有利な実施の形態は、予め設定された閾値を上記差が超えたときに、回転動作が存在するものとして認識されることによって特徴付けられる。

本発明の一つの有利な実施の形態は、予め決定されたタイミングに対する検出周期が繰り返されることによって特徴付けられる。

本発明の一つの有利な実施の形態は、
− タイヤ空気圧監視システムの構成内において上記方法を使用し、
− 回転動作が存在するものとして認識された場合、タイヤ空気圧監視システムの動作モードがその認識に依存する、
ことによって特徴付けられる。

本発明の一つの有利な実施の形態は、先立って車輪回転動作がなかったために回転動作が存在しないものとして認識された場合に、タイヤ空気圧監視システムによるタイヤ空気圧値の特定を行わず、又は、車輪回転動作の存在が送信される際の時間間隔をより大きいものとすることによって特徴付けられる。それにより、タイヤ空気圧監視システムのエネルギ節減動作が可能となる。

本発明の一つの有利な実施の形態は、上記センサ素子を圧電セラミックセンサ素子とすることによって特徴付けられる。

本発明の一つの有利な実施の形態は、上記圧電セラミックセンサ素子にキャパシタが並列接続されることによって特徴付けられる。

キャパシタは、本質的にそのキャパシタを通じて規定される周波数抑制（帯域通過方式）を伴う受動回路を、センサ素子及び場合により存在する他の構成要素と共に共同で形成する。そのキャパシタは、センサ素子を短絡させることなく、センサ信号と、スイッチを介したその出力結合とを監視することを可能にする。それと共に、インピーダンス変化の方式も実行される。即ち、圧電素子が極度の高抵抗とされる。

それに関連して、キャパシタは、以下の役割を有する。
− 装置への電力供給無しでも周波数抑制、即ち、フィルタ動作を行う。
− キャパシタの電荷が、後続のＱ／Ｕ変換（ゲイン段）のための入力としての役割を担う。
− インピーダンス変化の方式を実現するために、キャパシタは必要不可欠である。キャパシタ無しでは、センサを選択する際に非常に大きい時定数が出現し、その要求である、回路がほんの短時間に電流を供給するための妨げとなる。

本発明の一つの有利な実施の形態は、
− 回転動作の存在の検出が、電子回路を用いて実行され、
− 上記電子回路は、検出タイミングの間だけ電流を供給される、
ことによって特徴付けられる。

それに関連して、エネルギ節減動作が可能になる。

本発明の一つの有利な実施の形態は、上記電子回路が電荷−電圧変換器を含むことによって特徴付けられる。

本発明の一つの有利な実施の形態は、
− 最低許容速度を設定し、
− 上記最低許容速度に属している車輪回転の周期長を算出し、
− 予め決定される少なくとも三つの検出タイミングが含まれる周期の時間長を、上記周期長に等しく又はより大きく選択する、
ことによって特徴付けられる。それに関連して、回転動作を認識する際に、検出は少なくとも完全な車輪回転の時間長に亘って延長されることが保証される。その速度の最低許容速度に拘わらず、回転動作の存在から信頼できる認識ができるはずである。

さらに、本発明は、上述した方法を実施するために構成された手段を含む装置を包含する。

本発明は、原動機付乗物の車輪の回転認識を可能とし、それは、以下の利点を示す。
− より少ない消費電力
− より少ない回路コスト
− 集積回路の構成において実現可能
− 車輪に関する「回転」又は「不回転」状態の確実な識別、その際、乗物に携行されている予備車輪は常に不回転として認識されることが必要
− 使用される構成要素（部品）のばらつき及び経年変化並びに車輪における組込箇所に対する頑強性（ロバスト性）

図面は、図１乃至図６を含む。

車輪判定に関与するタイヤ空気圧監視システムを示す。 車輪の回転の際における加速度の典型的な推移を示す。 非等間隔検出でのセンサ出力における信号を示す。 回転動作を認識するための装置を示す。 車輪の回転周波数乃至乗物速度に関して与えられる特定された最大値と最小値との間の差を示す。 本発明に従う方法の原理の過程を示す。

本発明は、圧電素子の出力信号に有用である。回路装置の支援によって、その出力信号は、定められた検出タイミングにおいて検出される。本発明は、本発明に従った検出タイミングの選択を通じて、大きい速度範囲、例えば２０ｋｍ／ｈから２５０ｋｍ／ｈまでの速度範囲に亘って、非常に小さい個数の検出評価によって、存在する回転動作の信頼できる確実な認識を可能にする。必要不可欠な検出評価の個数は、典型的には、ファクタ５乃至１０程度であり、等間隔の検出の場合に必要不可欠な個数より少ない。

その回路装置は、その場合に、検出タイミングの間だけ電流が供給される必要があるようにして設けられ、電流が供給されていなければ、電流節減受動モードにあると判定することができる。そのエネルギ節減特性に基づいて、高いエネルギ消費を伴わない検出であっても、大きい時間間隔をカバーすることを可能にする。その大きい時間間隔は、低い速度の動作であっても認識するために必要不可欠である。

そのように得られた検出評価から、簡単な信号処理を行いながら、回転認識が実行される。その信号処理は、いわゆる基礎回転の評価に対して裏付けとなるものであり、詳細に記述される。基礎回転の評価は、乗物、車輪又はタイヤのばらつき及び経年変化並びに特有の特性、例えば機械的な共振に対する装置の高い頑強性（ロバスト性）を提供する。

開示される装置においては、センサ素子、特に、半径方向又は正接方向、但しそれに加えて中間方向に取り付けられたセンサ素子が可能であり、即ち、それは、半径又は正接車輪方向において発生する加速度を認識することができる。加速度は、例えば正接方向に取り付けられた、例えば圧電素子の下で又はマイクロメカニクス加速度センサの下で、認識することができる。

図１は、車輪判定において、タイヤ空気圧を監視するためのシステムの一部の概略図を示す。当該部分は、圧力センサ１０３と、その出力信号を評価するための評価回路１０２と、送信機１０４とを備えている。回転認識のために、当該構成には、一つ又は複数のセンサ素子１００が付加されている。その場合、例えば圧電セラミックスを取り扱うことができるが、但し、本発明は、そのようなセンサ素子には限定されない。信号乃至回転認識センサは、評価回路１０１において評価され、判定される。１０５は、バッテリに付された符号である。

高い頑強性（ロバスト性）に関しては、図１に示された集積回路における又は共通ケーシング集積におけるブロックで、小さい部分コストにより達成することが十分に可能である。

車輪の回転によって、正接方向においても半径方向においても正弦波状の加速度推移が発生する。

半径方向におけるその推移には、（一定の回転数による）一定の遠心加速度が重畳される。重力に起因する正弦波状の推移は、１ｇ（ｇ＝重力加速度）の振幅、車輪回転周波数に対応した周波数を有する。半径方向において重畳される遠心加速度は、数百乃至数千ｇに達し得る。僅かな遅い車輪回転と比較して急速な加速度の乗物の場合には、その数値は、それ自体で変化する。

認識される半径方向の加速度の典型的な推移が図２に示されている。そこでは、横座標方向に時間が、縦座標方向に、認識される半径方向の加速度が、示されている。符号２０１は、遠心加速度に起因する、車輪回転動作の一定の又はほぼ一定の部分に付されており、符号２００は、重力加速度に起因する正弦波状の部分に付されている。

それに関連して、センサ素子１００の、正弦波状の電気信号における加速度は、変化する。所与の下降が存在する遠心加速度は、分離した高いピークを通じて、又は、圧電素子において備えられた固有の内在する高いピーク特性（また同時に、圧電素子における高いオーム抵抗の上に均一化される分離された電荷）を通じて、フィルタ出力される。それに関連して、結果として生じる正確な正弦波状の信号が、図３に示されている。図３における横座標方向には時間ｔが、縦座標方向には加速度ａが、示されている。縦座標方向は、重力加速度ｇの単位に対応し、即ち、車輪回転は、振幅ｇの正弦波状の出力信号を供給する。

回転認識のための全構成の典型的な実施が、図４に示される。図３に示される場合には、タイヤ回転の正弦波状の信号の下降において、検出するタイミングｔｉを固定するために、回転認識は実施されるべきであり、Ｑ／Ｕ変換器４０１が接続されている。スイッチＳの一時的な接続を通じて、電荷の一部がキャパシタＣからＱ／Ｕ変換器に流れ、その流出した電荷が（演算増幅器及び接続されたキャパシタの援助により）電圧に変換され増幅される。その電圧は、アナログ／ディジタル変換器４０２の援助によりディジタル値ｘｉに変換される。そこから、演算ブロック４０３において、車輪停止（「非進行」）又は回転する車輪（「進行」）が存在するかどうかが算出される。

その場合に、検出タイミングｔｉは、模範的なものが図３に示されており、非等間隔に選択されている。二つの検出タイミング間の間隔は、徐々に小さくなるようにするとよい。非等間隔にすることにより検出タイミングは確かに不均等に配置されるのであるが、それでもなお確実に設定される。その構成においては、所定の数の検出タイミングが採用され、典型的には５乃至１０が評価される。

検出動作の間には、回路にスタンバイ（待機）モードをもたらすことができ、エネルギを節減することができる。監視期間即ち時間間隔が、典型的には、最小の検出されるべき回転速度の場合の完全な周期に亘って延長される限りは、エネルギ消費を増加させることなく、その時間間隔に検出評価を行うことが含まれるようにすることが、その構成によって可能になる。

図４において図示されたスイッチＳは、ほとんど総ての時間、図示された位置にある。センサ１００の出力信号の評価が全く得られない時間を継続させる代わりに、ブロック４０１，４０２及び４０３から構成されている評価回路は、スイッチを切断され、又は、不活性化され、又は、電流節減受動モードにされる。当然に、圧電素子１００は、受動状態においても一定の出力信号を供給し、キャパシタＣの電圧は、圧電素子、内部抵抗Ｒ及びキャパシタＣを介して、加速度信号の伝達関数に従う。評価が行われるべきときは直ちに、両方のスイッチＳは、一時的に右へ反対向きにされる。それに関連して、スイッチＳは、各評価タイミングｔｉごとに一時的に反対向きにされる。

得られた検出評価は、有利には、ブロック４０３においてディジタル処理される。そのために、その検出評価から、第１のステップにおいて、最大値及び最小値が形成される。
Ｘｍａｘ ＝ ｍａｘ（ｘｉ） 及び
Ｘｍｉｎ ＝ ｍｉｎ（ｘｉ）
それらから、第２のステップにおいて、差を形成する。
ｙ ＝ Ｘｍａｘ − Ｘｍｉｎ
その差は、限界値と比較される。ｙが限界値より大きい場合は、回転動作が存在し、そうでない場合は、存在しない。

図５において、横座標方向には、車輪回転周波数ｆがＨｚで、及び、その比例項である乗物速度ｖがｋｍ／ｈで、示されている。縦座標方向には、差ｙが、示されている。そこでは、最小速度からの差は常に１ｇよりも大きいことが、明確に認識される。限界値としては、この例では、値０．５ｇを用いることができる。

図５に示されているシミュレーション結果については、入力信号の位相位置からの多数が検査される。その理由により、図５は、個々の特性曲線ではなく、「管状」の曲線群を示している。ここで重要なことは、ある程度の周波数からの曲線群の最小値は、設定された値、例えば０．５又は１よりも、常に明確に大きいということである。

事実として、図５において値ｙ＞２さえも出現するということが、この検出の方式を通じて根拠付けられる。検出の際に、スイッチＳを一時的に横に倒すと、そのたびごとに、Ｑ／Ｕ変換器、即ち、電荷−電圧変換器４０１における電荷の一部が流出する。電荷の流出を通じてキャパシタＣの電圧推移における変位が発生し、それは非常に大きい時定数を伴って再び減少させられる。その電荷流出は、キャパシタＣの低下する電圧が現在の加速度値ともはや精確には一致しないということをもたらす。今度は、次の検出値まで加速度の変化の兆候が見出される代わりに、それが原因で、信号の突出、即ち、ｙ＞２がもたらされ得る。

本発明に従う方法の原理的な経過が図６に示されている。ブロック６００において開始してから、ブロック６０１において、少なくともセンサ素子を用いて、車輪加速度を特徴付ける車輪加速度値を認識する。ブロック６０２において、その車輪加速度値をいくつかの検出タイミングｔｉにおいて検出し、ブロック６０３において、検出された値に基づいて、存在する乃至存在しない回転動作を認識する。ブロック６０４において、方法は終了する。

その場合に、さらに、例えば経年変化又は温度変化に起因するセンサの鋭敏な反応の明確な変動があったとしても、回転動作の明確な認識が可能であることは、明らかである。

最大値及び最小値を通じて表された評価と並んで、引き続く比較による検出値の一つ又は複数の決定された和の形成さえも可能である。全く同様に、検出値のフィルタ処理、並びに、
限界値の比較を伴う
− 最大値及び最小値の組合せ、又は、
− 中央値の形成及び引き続く差の形成
が可能である。

記述されたディジタル方式の信号評価における重要な特性は、検出評価におけるオフセットが除去され得るということである。そのオフセットは、既に信号に含まれていることがあるものであり、回路の寄生効果を通じて、又は、後続のＱ／Ｕ変換、増幅及びアナログ−ディジタル変換を通じて、喚起される。

全システムの感度の高さにおける変動は、限界値乃至閾値の適当な適合を通じて除去され得る。その目的のために、多くの中間周期に亘る信号の追跡、又は、組み込まれた評価経路においてそれ自体で発生させられる信号評価の供給が可能である。開示された回路構成は、アナログ方式の回路機構においても、原理的に同様に実現され得る。

Claims (14)

1. 原動機付乗物の車輪の回転動作を認識するための方法であって、
   − 車輪加速度を表す車輪加速度値（ａ）を、少なくともセンサ素子（１００）を用いて検出し、
   − 異なる検出タイミング（ｔｉ）における前記車輪加速度値を検出し、
   − 検出された値に基づいて、回転動作の存在を認識する（１０１）、
   方法において、
   − 周期に含まれる少なくとも三つの検出タイミングであって、予め決定された非等間隔のタイミング（ｔｉ）における前記車輪加速度値（ａ）を検出し、
   − 前記車輪加速度値（ａ）を特定する検出を通じて、前記周期の範囲内において捕捉される最大値（Ｘｍａｘ）を特定し、
   − 前記車輪加速度値（ａ）を特定する検出を通じて、前記周期の範囲内において捕捉される最小値（Ｘｍｉｎ）を特定し、
   − 前記最大値（Ｘｍａｘ）と前記最小値（Ｘｍｉｎ）との間の差（ｙ）を特定し、
   − 前記差（ｙ）に基づいて回転動作の存在を認識する、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記車輪加速度値（ａ）を、車輪に発生する半径方向の加速度に関して、又は、正接の加速度に関して、取り扱うことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記車輪加速度値は、少なくとも半径方向の加速度に起因する部分を示すことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 二つの隣接する検出タイミングの間の時間上の連続する間隔が徐々に小さくなるように、前記非等間隔の検出タイミング（ｔｉ）が、前記周期の範囲内に時間的に配置されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 予め設定された閾値を前記差（ｙ）が超えたときに、回転動作が存在するものとして認識されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 予め決定されたタイミングに対する検出周期が繰り返されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. − タイヤ空気圧監視システムの構成内において前記方法を使用し、
   − 回転動作が存在するものとして認識された場合、前記タイヤ空気圧監視システムの動作モードがその認識に依存する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 回転動作が存在しないものとして認識された場合に、前記タイヤ空気圧監視システムによるタイヤ空気圧値の特定を行わず、又は、車輪回転動作の存在が送信される（１０４）際の時間間隔をより大きいものとすることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記センサ素子を圧電セラミックセンサ素子（１００）とすることを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 前記圧電セラミックセンサ素子にキャパシタ（Ｃ）が並列接続されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. − 回転動作の存在の検出が、電子回路（４０１，４０２，４０３）を用いて実行され、
    − 前記電子回路は、検出タイミングの間だけ電流を供給される、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記電子回路（４０１，４０２，４０３）は、電荷−電圧変換器（４０１）を含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. − 最低許容速度を設定し、
    − 前記最低許容速度に属している車輪回転の周期長を算出し、
    − 予め決定される少なくとも三つの前記検出タイミングが含まれる周期の時間長を、前記周期長に等しく又はより大きく選択する、
    ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
14. 車輪加速度を表す車輪加速度値（ａ）を検出するためのセンサ素子（１００）の複数の信号を評価する評価回路（１０１）を備える装置において、
    前記評価回路（１０１）は、前記センサ素子（１００）の前記複数の信号に基づいて車輪の回転動作を認識するために、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の方法を実施する、
    ことを特徴とする装置。

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